Robotic artificial fibers fabrication

No Thumbnail Available
Files
Asikainen_Aron_2024.pdf (1.08 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Date
2024-05-06
Department
Major/Subject
Mcode
ELEC3014
Degree programme
Automaatio- ja systeemitekniikka AUT
Language
en
Pages
23
Series
Abstract
The fibers created by the spiders in nature are strong and elastic. These properties, combined with the ecological nature of the fibers, make the fibers good for various applications, such as flexible electronics, smart textiles, and medical applications. This bachelor's thesis investigates the fabrication of artificial fibers similar to those spun by spiders using robotics. In the work, a literature study will be carried out, which will review the applications of this kind of artificial fibers, traditional fabrication methods and new fiber fabrication methods that utilize robotics. The goal is to find a method to artificially create fibers that are as similar as possible to natural fibers spun by spiders. The traditional fabrication methods examined are wet spinning, dry spinning, electro spinning and microfluidic spinning. However, the common challenge of these methods is lower mechanical properties compared to spider-generated fibers due to the lack of control during fiber creation. In addition to this, the properties of the fibers are typically examined with a different device than the one with which the fibers were originally produced. Many of the methods also depend on post-treatment to improve the properties of the fibers. As an alternative method, a method using robotics is presented, where with the same device it is possible to create fibers by pulling and define the mechanical properties with a tensile test. The method aims to create fibers by measuring and controlling the force used in pulling and hardening to achieve fibers with the best possible properties. After the fiber has hardened, it can be examined with a tensile test to determine the fiber's mechanical properties. To produce the best possible fibers, the process uses Bayesian optimization, which looks for better manufacturing parameters to use in the next iteration. Considering the current results, the method has created stronger fibers than traditional methods, which promises a good future for artificial fiber production.

Hämähäkin luonnossa luomat kuidut ovat erittäin vahvoja ja samaan aikaan hyvin elastisia. Nämä ominaisuudet yhdistettynä kuitujen ekologisuuteen tekevät kuiduista hyviä erinäisiin sovelluksiin, kuten joustavaan elektroniikkaan, äly tekstiileihin ja lääketieteellisiin sovelluksiin. Tämä kandidaatintyö tutkii keinotekoisten hämähäkinseittimäisten kuitujen valmistusta robotiikkaa hyödyntäen. Työssä tehdään kirjallisuustutkimus, jossa käydään läpi tämänkaltaisten keinokuitujen sovelluksia, perinteisiä valmistusmenetelmiä sekä uutta robotiikkaa hyödyntävää kuitujen valmistustekniikkaa. Tavoitteena on löytää menetelmä, jolla pystytään luomaan luonnollisen hämähäkinseitin mahdollisimman samankaltaisia kuituja keinotekoisesti. Tarkasteltavia perinteisiä kuitujen valmistusmenetelmiä ovat wet spinning, dry spinning, electrospinning ja microfluidic spinning. Näitä menetelmiä hyödyntämällä on pyritty jäljittelemään hämähäkinseitin valmistusprosessia luoda kuituja. Näiden menetelmien yhteisenä haasteena on kuitenkin heikommat mekaaniset ominaisuudet hämähäkin luomiin kuituihin verrattuna, joka johtuu kontrollin puutteesta kuitujen luomisen aikana. Tämän lisäksi tyypillisesti kuitujen ominaisuuksia tarkastellaan eri laitteella kuin millä kuidut ovat alun perin valmistettu. Monet menetelmistä ovat myös riippuvaisia jälkikäsittelylle parantaakseen kuitujen ominaisuuksia. Vaihtoehtoisena menetelmänä esitetään robotiikkaa hyödyntävä menetelmä, jossa samalla laitteella pystytään luomaan kuituja vetämällä ja määrittelemään kuidun ominaisuudet vetokokeen avulla. Menetelmällä pyritään luomaan kuituja mittaamalla ja säätämällä vetämisessä ja kovettumisessa käytettävää voimaa saavuttaakseen mahdollisimman hyvät ominaisuudet omaavia kuituja. Kuidun kovetuttua voidaan sille tehdä vetokoe, jolla määritellään kuidun mekaaniset ominaisuudet. Parhaiden mahdollisten kuitujen valmistamiseksi prosessissa hyödynnetään Bayesialaista optimointia, joka etsii parempia valmistusparametrejä hyödynnettäväksi seuraavassa iteraatiossa. Tämänhetkisten tulosten valossa menetelmä on pystynyt luomaan lujempia kuituja kuin perinteiset menetelmät, joka lupaa hyvää tulevaisuutta keinotekoisten kuitujen valmistukselle.
Description
Supervisor
Forsman, Pekka
Thesis advisor
Bettahar, Houari
Keywords
fiber threading, robotics, automation, biomimicking, biomaterial
Other note
Citation